Supraviețuirea broaștei de lemn la îngheț

Habitatul de iarnă

Rana de lemn (Rana sylvatica) locuiește în păduri care se întind de la Munții Apalachi până în provinciile maritime și spre vest până în nordul Alaskăi, chiar și până la Cercul Arctic. Locul său de iernat este o vizuină puțin adâncă în podeaua pădurii, bine în zona de îngheț, care este acoperită de frunze și alte detritusuri organice. Studiile noastre din sudul statului Ohio sugerează că broaștele de pădure sunt supuse la mai multe episoade de îngheț care durează de obicei câteva zile și expun broaștele la temperaturi care scad până la -2° până la -4°C; cu toate acestea, în regiunile mai nordice, ele se confruntă probabil cu temperaturi mult mai scăzute și perioade mai lungi de îngheț.

Inițierea înghețului

Câteva mecanisme asigură faptul că broaștele de pădure îngheață fără a se supraîngheța în mod extensiv. În primul rând, datorită naturii foarte permeabile a pielii amfibienilor, gheața care înconjoară broasca poate declanșa instantaneu înghețarea fluidelor corporale. De asemenea, refugiul de iarnă al broaștei găzduiește o abundență de agenți de nucleare a gheții, cum ar fi diverse particule minerale, acizi organici și anumiți microbi, care pot provoca înghețarea broaștei. Experimentele de laborator sugerează că ingestia acestor agenți favorizează formarea gheții la broaștele tolerante la îngheț. De fapt, mai multe tulpini de bacterii care exprimă o puternică activitate de nucleare a gheții au fost cultivate din intestinele broaștelor de pădure colectate în timpul iernii, ceea ce indică faptul că aceste bacterii sunt păstrate pe toată durata hibernării (Lee et al. 1995). Inocularea cu gheață sau cu agenți de nucleare a gheții în mediul de iarnă este probabil mecanismul principal care inițiază înghețarea la amfibieni; nu este nevoie de proteine de nucleare a gheții sau de alți nuclei de gheață endogeni, așa cum se găsește la unele nevertebrate (Costanzo et al. 1999).

Stresul de îngheț/dezgheț

Gelarea extensivă solidifică țesuturile, oprește circulația vasculară și privează celulele de oxigen. Deoarece gheața se formează numai în spațiile extracelulare, apa din interiorul celulelor este atrasă osmotic în exterior, unde se alătură rețelei de gheață în creștere. În timpul acestui proces, celulele se pot micșora substanțial, cu posibile daune la nivelul membranelor și al sistemelor de susținere structurală. Macromoleculele și soluții devin înghesuiți într-un volum de solvent în scădere, poate cu consecințe negative. Formarea gheții în fluidele corporale reprezintă, de asemenea, o amenințare de rănire mecanică de către rețeaua de gheață în creștere, în special în țesuturile și organele compacte și foarte structurate. Fronturile de gheață pot forfeca și separa țesuturile, perturbând sistemele de comunicare intercelulară. La decongelare, se formează bălți mari de lichid diluat în spațiile extracelulare. Volumul celular, echilibrul hidroosmotic și starea energetică trebuie restabilite.

Capacitatea de toleranță la îngheț

Studiile de laborator au arătat că broaștele de lemn pot supraviețui: (a) la înghețarea a până la 65-70% din apa din corpul lor; (b) la o temperatură minimă a corpului de -6°C; și (c) la înghețarea neîntreruptă timp de ≥ 4 săptămâni. Toleranța la îngheț variază în funcție de sezon, deoarece broaștele sunt mai rezistente în timpul iernii. O astfel de variație sezonieră a capacității de toleranță la îngheț poate reflecta parțial modificări ale cantității de crioprotector care poate fi produsă. Supraviețuirea depinde de o congelare lentă, astfel încât mecanismele crioprotectoare să se poată exprima mai pe deplin.

Recuperarea prin congelare

Recuperarea este remarcabil de rapidă, funcțiile fiziologice și comportamentale de bază revenind, de obicei, în câteva ore de la decongelare (link to video low bandwidth/ high bandwidth; link to NOVA scienceNOW story).În colaborare cu Jack R. Layne, Jr. (Slippery Rock University), lucrările noastre au arătat că dinamica de recuperare este caracterizată de restaurarea secvențială a funcțiilor fundamentale până la funcții progresiv mai complexe. De exemplu, inima își reia bătăile chiar înainte ca gheața din corp să se topească complet, iar respirația pulmonară și circulația sângelui sunt restabilite la scurt timp după aceea. Contractilitatea mușchilor membrelor posterioare revine după 1-2 ore de la decongelare, în timp ce funcția nervului sciatic de inervare este restabilită în aproximativ 5 ore. Retracția membrelor posterioare și reflexele de redresare revin câteva ore mai târziu, iar broaștele prezintă, de obicei, poziții corporale normale și funcții motorii coordonate în 14-24 de ore. Comportamentele de ordin superior, cum ar fi impulsul de împerechere și comportamentul de curtare, nu sunt restabilite până cel puțin câteva zile mai târziu (Costanzo et al. 1997).

Adaptări la toleranța la îngheț

Un răspuns care promovează toleranța la îngheț la broaștele tolerante la îngheț este redistribuirea a până la 60% din apa care se găsește în mod normal în țesuturi. Disecția unei broaște de pădure înghețate relevă faptul că o mare parte din gheață este sechestrată în sistemul limfatic și în celom, unde se poate forma fără a deteriora țesuturile și organele delicate (Lee et al. 1992).

Toleranța la îngheț este, de asemenea, promovată de sinteza rapidă a glucozei din glicogenul hepatic și de distribuirea acestui agent crioprotector către celulele din tot corpul. Se pare că glucoza acumulată îmbunătățește supraviețuirea celulelor, țesuturilor și organelor, deoarece administrarea experimentală de glucoză suplimentară broaștei crește toleranța acesteia la îngheț (Costanzo et al. 1993). Una dintre funcțiile principale ale glucozei este de a crește presiunea osmotică a fluidelor corporale, ceea ce, la rândul său, reduce cantitatea de gheață care se formează la orice temperatură dată. Glucoza transportată în celule acționează ca un osmolit, diminuând gradul de contracție celulară în timpul înghețului, și servește, de asemenea, drept combustibil fermentabil care poate fi metabolizat în absența oxigenului. Broasca de pădure folosește, de asemenea, ureea ca agent crioprotector. Spre deosebire de glucoză, ureea se acumulează în timpul toamnei și la începutul iernii și este deja localizată în interiorul celulelor atunci când începe înghețul. Unele dovezi sugerează că ureea este mai eficientă decât glucoza în prevenirea crioinfecției (Costanzo și Lee 2005).

Aquaporinele (AQP) și transportatorii facilitatori de uree (UT) sunt două proteine transportoare care au fost implicate într-o gamă largă de roluri fiziologice în diverse organisme. Recent, aceste proteine au fost descoperite la o varietate de anurani; cu toate acestea, semnificația lor fiziologică nu este încă pe deplin înțeleasă. Pentru a elucida importanța AQPs și UTs în echilibrul osmolitului la broaștele care hibernează, examinăm expresia acestor proteine la broaștele cu diferite grade de terestru. În plus, măsurăm variațiile sezoniere ale expresiei, precum și modificările nivelurilor de expresie ca răspuns la stresul legat de iarnă, la broasca de pădure.